冶炼过程中钢原料预热技术研究

刘卫华

（日照钢铁控股集团有限公司，山东 日照 276800）

钢铁冶炼技术是机械加工原材料的重要生产途径，关系到国家工业的可持续发展[1]。目前，为了达成低碳冶炼的技术目标，在冶炼炉上部空间安置预热井已成为一种新的技术手段。预热井一般采用垂直方向放置，通过预热井向冶炼炉内添加各种型材的钢原料。冶炼炉冶炼过程中产生的高温气体持续向上升腾，会对预热井内的钢原料产生预热效果，从而加快冶炼过程，减少能源消耗。但是作为一种全新的低碳冶炼技术，该技术在实际运用过程中仍然会受很多问题的困扰[2]。冶炼过程中的钢原料一般是通过回收手段获得的废钢，这些原料形态各异，质量差别较大，有重型的、轻型的、块状的、破碎的和轻薄型的[3]。不同类型的钢原料在预热井中的预热温度如何会直接关系到预热效果和填料效率。为此，该文以三维仿真模拟的技术手段对钢原料的预热过程进行了试验研究。

1 冶炼过程中钢原料的三维建模

在冶炼过程的低碳化改造中，预热井在垂直方向上的设置是最核心的技术手段。在钢原料的填料过程中会受重力作用产生自由落体运动，正好和冶炼炉内的热气形成反向运动。这种方式可以有效利用冶炼蒸汽的残余热量，对钢原料实施预热，从而达到节能低碳的目的。

要把握钢原料在预热过程中的规律是非常困难的事。钢原料存在各种形式的差异，博阿凯重型、轻型、块状、破碎和轻薄型，通过三维仿真软件对冶炼过程中预热井中的钢原料进行三维建模是分析的有效手段。该文选择ProE三维仿真软件，得到的预热井中各种钢原料的仿真结果如图1 所示。

图1 预热井中各种钢原料的三维仿真结果

因为冶炼过程中使用的钢原料多为回收的废旧钢料，所以形成了一些以特定形状报废零件为主的配置情况。图1 中有块状、片状、圆柱形、角钢形和不规则的钢零件。为了便于对钢原料的阐述，该文将试验对象划分为5 类，其对应特征见表1。

表1 钢原料的类型和对应的特征

从表1 中可以看出，该文将钢原料划分为轻型钢原料、较重型钢原料、薄片型钢原料、块状钢原料碎状钢原料5个类别，分别对应不同的尺寸范围和形状，这也直接决定了其质量。其中，较重型钢原料的尺寸范围最大，也最厚。相比较而言，薄片型钢原料和碎状钢原料的尺寸范围则比较接近。

2 冶炼过程中钢原料预热的过程仿真

为了便于量化分析冶炼过程中钢原料的预热过程，需要设定钢原料预热的三维仿真环境。设定后，三维仿真的环境条件包括冶炼过程中的速度条件、冶炼炉的温度条件等。为了便于形成仿真过程的准确描述，该文设定的假设条件如下：第一个假设条件，在整个冶炼过程中，冶炼炉和预热井内的各种机械参数、物理参数以及工艺参数都不会产生明显波动；第二个假设条件，冶炼炉的预热井内没有能自身产生热量的热源，其预热过程的热量吸收全部来源于冶炼炉蒸汽温度；第三个假设条件，不考虑冶炼炉蒸汽温度持续加热可能使极少比例的钢原料出现熔融状态；第四个假设条件，不考虑冶炼炉蒸汽上升过程中可能出现的持续体积压缩情况。

在上述假设条件下，结合冶炼领域的经验数据，对冶炼过程中的导热系数、密度、固相率以及热焓等参数进行规律性设置，结果如图2 所示。

图2 冶炼过程仿真模拟中4 个参数的设置规律

从图2（a）中的曲线变化情况可以看出，冶炼过程中的导热系数呈现出先下降、后上升的剧烈波动，900℃是一个拐点，而在1400℃～1500℃中出现了一个峰值较大的脉冲。从图2（c）中的曲线变化情况可以看出，冶炼过程中的固相率参数呈现出先平缓下降、后剧烈下降的形态，1500℃是一个拐点。从图2（b）中的曲线变化情况可以看出，冶炼过程中的密度参数呈现逐渐下降的趋势。从图2（d）中的曲线变化情况可以看出，冶炼过程中的热焓参数呈现逐渐上升的趋势。

3 钢原料预热的试验结果与分析

上述工作对冶炼过程中的钢原料进行了Pro/E 的三维建模，进而分别设置了假设条件和4 类关键参数。下文将验证预热后的钢原料进入冶炼炉后和已经熔化的钢液迅速接触时出现的情况，如图3 所示。

图3 预热后的钢原料进入冶炼炉后和已经熔化的钢液迅速接触时出现的情况

图3 中，预热后的钢原料进入冶炼炉后和已经熔化的钢液迅速接触，直至完全浸没到熔融的钢液中会出现5 个层次的变化：第一个层次，钢原料进入冶炼炉；第二个层次，热量蓄积，出现凝钢；第三个层次，凝钢出现熔化现象；第四个层次，钢原料出现渗碳熔化的现象或热透速溶的现象。在刚开始的接触中，钢原料的芯部是有美感、有变化的，然后外表面碳化并逐步出现凝钢层，随着凝钢层不断向内部深入，整个钢原料呈现凝钢状态，最后变成熔融状态。进而观察钢原料整体的预热平均温度，结果如图4 所示。

图4 钢原料的预热平均温度变化

从图4 中曲线的变化情况来看，随着预热时间的不断增加，钢原料整体的预热平均温度持续升高，但在500s 以后，预热温度的饱和特征渐趋明显。从细节特征来看，当预热时间为100s 时，钢原料的平均预热温度迅速升至340℃左右。当预热时间为200s 时，钢原料的平均预热温度进一步升至480℃。比较0s～100s 和100s～200s 这2 个预热时间范围，钢原料预热温度变化曲线的斜率出现了明显变化。显然，在0s～100s 的预热时间段内，钢原料预热温度变化曲线的斜率更大，表明其预热过程更快。在100s～200s 的预热时间段内，钢原料预热温度变化曲线的斜率变小，表明其预热过程在逐渐减慢。再继续观察后续的时间范围，可以明显看出钢原料预热温度曲线的斜率逐步减小，表明钢原料预热温度的升高速度越来越慢。如果将时间轴线进一步延伸，那么钢原料的预热温度将在某一时刻后维持在水平位置保持不变，即达到饱和状态。此时，无论再持续加热多时间，钢原料的预热温度也不会再产生变化。

进一步考察不同分类的钢原料在充分预热后可以形成的预热平均温度，结果如图5 所示。

图5 各种钢原料的平均预热温度

从图5 中的柱状图结果可以看出，在充分预热的情况下，轻薄型钢原料的预热平均温度最高，可达1400℃；其次是轻型钢原料的预热平均温度，达900℃左右；再次是中重型钢原料，预热平均温度接近600℃；块状和碎状钢原料的预热平均温度均低于400℃。从该结果可以明显看出，为了能够满足进一步的冶炼需求，不同品类钢原料的预热处理存在明显不同。体积越大、质量越大的钢原料需要更高的预热温度，才能充分预热，否则在预热不充分的情况下送入冶炼炉，会造成严重的工艺问题。而体积越小、质量越轻的钢原料所需的预热温度就较低，即便在较低的预热温度下，也可以取得充分预热的效果，并满足进一步的冶炼需求。因此，进行钢原料预热处理时，应充分分析不同品类钢原料的情况，区别对待，以满足冶炼的需求并节省能源。

4 结论

冶炼过程中，钢原料的充分预热可以有效节省冶炼能源，达到低碳生产的目的。该文中，先对钢原料的类型进行分类，共有5 个类别，分别是轻型钢原料、较重型钢原料、薄片型钢原料、块状钢原料和碎状钢原料。在该基础上运用Pro/E 进行钢原料的建模，进而设置冶炼过程的假设条件和4 类关键的控制参数规律曲线。试验过程中，分析了预热后的钢原料和冶炼炉内熔融钢液接触到完全浸没过程中的变化。试验结果显示，随着预热时间的不断增加，钢原料整体的预热平均温度持续生个，但在500s 以后，预热温度的饱和特征渐趋明显。在充分预热的情况下，轻薄型钢原料的预热平均温度最高，可达1400℃；其次是轻型钢原料的预热平均温度，达900℃左右。